生物质秸秆预处理工艺及经济性分析.pdf

第 2 4 卷第 2期 2 0 0 8 年 3月 电站系统工程 P o we r S y s t e m E n g i n e e r i n g V_01 24 NO 2 3 0 文章编号：1 0 0 5-0 0 6 X(2 0 0 8)0 2-0 0 3 0-0 4 生物质秸秆预处理工艺及经济性分析 山东大学能源与动力工程学院，环境热工过程教育部工程研究中心 赵希强马春元王涛宋占龙 摘 要：秸秆预处理是进行秸秆大规模应用的重要前提和组成部分，随着秸秆应用项目的日 益增多，对于秸秆预处理的研究显得更为 重要。依照关键技术划分，秸秆预处理工艺主要分固化成型和压缩打包两种，对其进行了经济性分析和比较。关键词：秸秆；预处理；经济性分析；成型：打包 中图分类号：$2 1 0；T K6 文献标识码：A The Pr e t r e a t me n t Te c hno l o ,y o f St r a w a nd Ec o n o mi c An a l ys i s Z HAo Xi-q i a n g，MA Ch u n-y u a n，W ANG Ta o，S ONG Z h a n-l o n g Ab s t r a c t：Th e p r e t r e a t me n t o f s t r a w i S t h e i mp o r t a n t p r e c o n d i t i o n a n d c o mp o s i n g p a r t o f t h e l a r g e-s c a l e u t i l i z a t i o n o f b i o ma s s Wi t h t h e i n c r e a s i n g o f t h e l arg e-s c a l e u t i l i z a t i o n o f b i o mass，t h e s t u d y o f the p r e t r e a t me n t o f b i o mass s t a l k s b e c o me s mo r e i mp o r t ant、Di v i d e d b y t h e k e y t e c h n i q u e u s e d b y p r e t r e a t me n t，i t c o n s i s t s o f t wo ma i n t e c h n o l o g i e s：mol d i n g b y s o l i d i fi c a t i o n an d b a l i n g b y c o mp r e s s e d Th e i n o d u c t i o n an d c o s t an a l y s i s o f wo r k i n g p r o c e d u r e s are c a r r i e d o u t T o o ffe r r e f e r e n c e s f o r the c h o o s e o f p r e t r e a t me n t the e c o n o mi c an a l y s i s a n d c o mp are o f the t wo t e c h n o l o g y h a v e b e e n c a r r i e d o u t o n t h e b a s i s o f an a l y s i s a b o v e，an d s o me v i e wp o i n t s an d a d v i c e s are b r o u g h t o u t Ke y wo r d s：s a w；p r e t r e a t me n t；e c o n o mi c an a l y s i s；mo l d i n g；b a l i n g 近年来，随着化石能源的紧缺和价格上涨，曾一度冷落 的生物质能利用技术又变 得火热，特别是出现秸秆发 电的应 用实例后，农作物秸秆的大规模应用项目纷纷上马，对于秸 秆资源的需求也越来越大。我国秸秆资源非常丰富，但是，作为一种散抛型低容重的能源存在形式，农作物秸秆具有资 源分散、季节性、能量密度低、容重小、储运不方便等缺点，严重制约了秸秆的大规模应用【l】。对于秸秆利用企业来说，秸秆来源的可靠性及收购综合成本己成为影响建设秸秆应 用项 目的前提条件和 决定企业效益 的关键因。秸秆预处理可以有效解决 以上 问题，如秸秆经过压缩打 包，然后运输，可以克服其能量密度低、容重小和储运不方 便的缺点；设立收购转运点可以解决其资源分散和收集困难 问题，保证秸秆来源的可靠性。但是对于不同的企业，秸秆 利用方式可能不同，因而需要不同的秸秆预处理工艺，同时 涉及秸秆预处理的最佳经济性。如何针对具体项目选择预处 理工艺，并具有较好的经济性，无论对于企业本身，还是对 于秸秆大规模的推广应用，无疑具有重要意义。1 秸秆预处理工艺介绍 秸秆最终利用(气化、燃烧等)前，为降低秸秆收购成 本、便于长期存放或提高利用效率而对其进行的必要处理，如干燥、破碎、压缩成型、打包 捆等，称为秸秆的预处理。对于秸秆的大规模工业应用，如直接燃烧发电、混合燃 烧发电、热解气化发电等，依照预处理所用关键技术划分，主要分为固化成型和压缩打包 捆两种。1 1 固化成型 预处理工艺 对于秸秆固化成型，如进行气化利用，可以设定合适的 收稿 日期：2 0 0 7-0 9-0 7 赵希强(1 9 8 1-)，男，博士研究生。济南，2 5 0 0 6 1 成型尺寸，使产 品可 以直接 进行气化；如进行燃烧利用，可 改变成型尺寸，使之满足直接燃烧的要求，或仅对成型后 的 产品进行简单的破碎即可满足要求。其工艺流程如下：1 叁 堕壁 堕 堕 些 堕 型 卜 一 运 输卜 储 存卜 最终利用 1 2 压缩打包 捆预处理工艺 对于秸秆压缩打包，如进行气化利用，需进行解包、破 碎(粉碎)处理，使破碎产物满足气化利用的尺寸要求；如 进行燃烧利用，只需使破碎产物满足燃烧利用的尺寸要求即 可。具体的打包 捆尺寸，以便于后续的解包、破碎工序为 准，同时兼顾 经济性。其工艺流程如下：收 集H 压缩打包 捆 H运 输 储 存 l_ 破 碎l_ 最终利用 2 预处理关键技术介绍 秸秆预处理工艺的划分是依据关键技术的不同，其他工 序是为其服务或以其为根据进行选择的，是预处理工艺的核 心技术，而且是影响整个工艺经济性的重要部分，因而介绍 预处理工艺的关键 技术非常必要。2 1 压 缩 固化成型技术 秸秆压缩 固化成型就是将秸秆用机械加压的方法，使 原来松散、无定形的秸秆压缩成具有一定形状、密度较大的 固体成型燃料。秸秆经过压缩成型，其密度、强度和燃烧性 能都有了本质的改善，大大提高了其作为燃料的品质】。同 时，其体积大为减少，可以有效地降低运输成本。秸秆中含有木质素(木素)，没有熔点但有软化点，当 温度为 7 O 1 1 0时软化，具有黏性，当温度达到 2 0 0 3 0 0 维普资讯 http:/ 第 2期 赵希强等：生物质秸杆预处理工艺及经济性分析 3 1 时成熔融状，黏性高。此时加 以一定压力就可使其与纤 维素紧密粘接并与相邻颗粒互相胶接，冷却后即可固化成型 为颗粒燃料。2 2 压缩打 包 捆技术 压缩打包 捆技 术来 源于包装 和造纸行业。在秸秆开始 大规模应用时，为减少运输成本和便于储存，此项技术便被 借鉴过来，用于秸 秆原料的预处理。其原理是：用机械加压的方法，压缩松散秸秆，其体积 发生剧减，然后继续添加秸秆压缩，直至达到一定的尺寸要 求，然后用草绳等材料进行捆装，防止松散。对 于不 同尺寸 或密度要求，可对 模具或压 力大小进行调节，以满足要求。利用此技术，可使秸秆体积缩小为 l 3 l 5，密度大大提高，有助于降低运输和储存成本；同时，其电耗较低，已成为常 用的秸秆预处理技 术。2 3 破碎 粉碎技术 秸秆含大量纤 维，有别于一般破碎原料，因此需要专 门 的破碎设备。现有针对普通原料的粉碎设备用 于大批 量的秸 秆破碎，成本较高而且生产效率低；而 目前专门针对秸秆 的 破碎机械，产物粒径在 1 0 mm 以上，属粗破碎 的范围。因 此，亟需开发和研制专 门针对秸秆特点的破碎 粉碎技术和 设备，同时应 具有一定 的经济适用性 J。常用 的秸秆破碎设备有粗破碎机和细破碎机两种。对 于 不同的最 终尺寸要求，可 以选择其一或联合使用。2 3 1 粗破碎机 粗破碎机也称卧式破碎机、一级破 碎机。运行 时，物 料 经刀片高速剪切磨削，以及物料间的碰撞摩擦而被破碎为 小 颗粒及短纤维丝，较小较轻的物料 脱离高速 圆周运动 的轨道 进入出料口，而较大较重的物料则继续留在破碎室内被破 碎。2 3 2 精 破碎机 精破碎机也称二级破碎机、立式破碎机，用于粗破碎产 物 的细破碎。进料平均粒度 一般 小于 5 mm，经过刀，问的 研磨 以及物料 问的互磨 以达 到更细 的粒度。粒度小的物料浮 在上层，被风机抽出，而较 大颗粒则 留在下层继续被破碎。3 各项工序成本和工艺的经济性分析 3 1 各项工序成本 对于 以生物质秸秆为主要原料的企业而言，其产品成本 受秸秆预处理费用 的影 响很大，控制预处理成本在可接 受的 范围之内是企业所必须解决的问题。3 1 1 收集成本 秸 秆收集是指 生产 企业 设立 收购转运 点或直接 以企业 为接收单位，从农民或草贩手中收购符合一定要求(如含水 率、不含杂物等)的秸秆，并进行简单的堆放或储存，其发 生的相关费用即为收集成本。主要包括如下两部分：(1)收购费用：用于购买秸秆支付的成本。(2)其他费用：包括装卸费用、劳动力费用、生物质储 存费用 等。收集工序中秸秆的运输不 由企业负担，故运 输费用计 入收购成本。3 1 2 固化成型成本 工序 中涉及破碎、加热和机械加压过程，电耗很 大，同 时设备中存在易损件，需要经常进行检修，维修费和人工费 较 高。我国生产 的生物质成型机一般为螺旋挤压式，生产能 力多为 l 0 0 3 0 0 k g h，电机功率 7 5 l 8 k W，电加热 功率 2 4 k W，产 品耗 电 7 O 1 2 0 k W h t E 。如果采用造粒技术，成本提高约 3 O 5 0。3 1 3 压缩打包 捆成本 工序中涉及机械加压过程，电耗较大，需操作人员较多，人 工费和维护费用较 高。我 国生产 的打包机，产量 一般为 1 6 2 0 t h，功率 1 8 2 5 k W，草捆密度约 3 0 0 k g m，产品 耗 电 2 4 3 O k Wh t。3 1 4 破碎工序成本 粗破碎系统 电耗为3 5 4 0 k W h t，设备维护费、折 旧 费和人工费较 高。粗破碎系统的生产成本约 为4 0 6 5 元 t。精破碎 系统 电耗为7 5 9 0 k W h t，维修 费、设备折 旧 费、人工费较 高。精破碎系统 的生产成本合计为7 6 9 6 元 t。若 两者联用，成本应相加，而且略有增加。3 1 5 运输成本 秸秆在 收购转运点经过初 步加工后，可运输至企业建立 的储存 设施进行储存，此过程产生的费用即为运输费用。其 与运费、运输量和转运点距离有关。若运输任务 由生产企业负担，则运 费主要包括燃料费、人工费和设备折旧费。参考值为2 4 3 0 元 k m。3，l，6 储存成本 秸秆在储存期间，需要一 定的维护、人工和其他费用，如 消防、用 电等，其 间产生的费用即为储 存费用。按照0 2 5 元 m 天 计算。表 1 工序成本 分析 因各地区存在差异，各工序成本存在较大差别，以上数据仅作参考；能源费用主要指电费，对于运输工序，指的是燃料费用。维普资讯 http:/ 3 2 电站系统工程 2 0 0 8年第 2 4卷 3 2 工艺 的经济性分析 3 2 1 固化成型工艺 按照表l 中的各工序成本核算，秸秆固化成型预处理工 艺的综合成本为：综合成本=收集成本+粗破碎成本+固化成 型成本+运输成本+储存成本。计算为2 9 4 7 3 5 元 t，另加运费和储存费用。3 2 2 压缩打包 捆工 艺 按照表l 中的各工序成本核算，秸秆压缩打包预处理工 艺的综 合成本为：综合成本=收集成本+压缩打包成本+运输成本+储存成 本+粗破碎成本。计算为1 8 4 5 4 5 元 t，另加运费和储存费用，或者精破 碎成本。3 2 3 工艺的经济性对比 在收集量一定情况下(1 0 0 0 0 t)，收集成本按2 5 0 元 t 计，收购转运点距生产企业平均距离3 5 k m，固化密度1 0 0 0 k g m ，草捆密度3 0 0 k g m ，运输车辆载重2 0 t，运输载容5 0 m，储存时间6 0 d，两种工艺的经济性对比见表2。表2 收集量1 0 0 0 0 t W l 综合成本分析(单位：万元)由此可知，对于两种预处理工艺，收集成本占综合成本 的比重都较大，故秸秆的收集成本是衡量建设秸秆应用项目 可行性 的重要标准。对于固化成型预处理工 艺，固化成型工 序成本是影响综合成本的重要因素；对于压缩打包预处理工 艺，破碎和储存成本是影响综合成本的关键因素。在进行秸 秆利用项 目可行性调查时，应重点对 以上因素进行分析。4 秸秆预处理工艺的选择 关于如何选择秸 秆预 处理工 艺的讨论，建立在下列假 设 基础之上：生产企业的秸秆利用形式已经确定，如掺烧发 电、气化发电等；生产企业周围半径 5 0 k m内秸秆资源丰 富；亩产干秸秆 l t(两季)。4 1 以生产企业规模为依据 生产企业规模越大，则需要秸秆量越多，收集辐射半径 就越大，这与运输成本关系密切，所以企业的生产规模是进 行秸秆预处理工艺选择的重要指标。假设 以企业 为中心 的圆周范围 内种植农作物，年耗秸秆 l 万t 的生产企业，辐射半径约 1 5 k m，实际辐射半径在 3 4 k m 内的秸秆产量即可满足需求；若生产企业规模相对较 小，实际辐射半径 5 k m 之 内秸秆量可满足企业需求，可由 生产企业直接收购，不设立收购转运点，秸秆以散装形式运 输和收集，在电厂内完成其他工序；而对于秸秆需求量较大 的企业，年耗秸秆超过 l 0万吨，或实际辐射半径超过2 0 k in,则应建立秸秆收购点，具体工艺选择还需考其他因素。4，2 以企业利用形式为依据 秸秆预 处理工艺选择 的出发点是满足企业利用的需要，同时兼顾经济性。如果是秸秆直燃发电，可以根据炉型或燃 烧方式选择秸秆预处理工艺，比如流化床燃烧优先选择压 缩 打包预处理工艺等；气化发电一般规模较小，优先选择成型 或造粒；如果是煤和秸秆掺烧，则看锅炉是流化床还是煤粉 炉 等进行预处理 的选择，煤粉炉优先选择压缩打包工艺，流 化床视其规模大小可选择压缩 打包或成形造粒。4 3 其他 在进行预处理工艺选择时，还要考虑许多其他因素，如 企业是新建还是技术改造等。若是新建电厂，技术和设备是 针对秸秆特点选用 的，其规模和利用方式可与预处理协 同考 虑，有较大选择余地，但是新建电厂大都为 1 3 0 t h高温高 压和 7 5 t I 中温中压两种锅炉，秸秆需求量较大，从经济角 度分析，收集半径宜控制在 5 0 k m范围内；而技术改造时，受原有技术和 设备 的限制较 多，选 择余地较小。如 十里泉 电 厂煤粉炉掺烧秸秆，由于锅炉是针对煤粉设计 的，掺烧秸秆 时 由于腐蚀 问题，掺烧量有限，而且应优先采用秸秆粉形式，故其预处理工 艺采用压缩打包工 艺 8】。从以上分析不难看 出，秸秆预处理工艺的选择 是个综合 考虑分析的过程，需要考虑多种因素，设计多种方案并进行 可行性分析 比较后才能确定。5 结论 在我 国，秸秆的大规模应用才 刚刚兴起，虽然已有成功 运营的实例，但技术和设备几乎都是从国外引进，未能很好 地适应我国的国情，在运行中出现了许多问题。特别是在秸 秆预处理阶段，直接引进使用外国技术和设备并不可行，而 应该根据我国的实际情况，发展有中国特色的秸秆预处理工 艺。在目前秸秆利用中，还存在下列问题亟待解决：(1)秸秆大规模应用成功与否，关键在于秸秆原料的组 织和管理。紊 U 期 需依靠地方政府行政引导、组织和政策支 持，保证充足的秸秆燃料(按合理价格)供应。而发电企业成加 快建设自主秸秆收、储、运I 叫 络和模式，用较短时间建立起 市场化运僻的模式，并力求最人幅度降低燃料运背成本【。f 2)现有国情下，建造只烧秸秆的小电厂，局限于秸秆 难收集、资源分散等特点，其规模一般较小，而且运行效率 远不能和大电厂相比，发电成本很高，能否实现可持续发展 还是个疑问。而进行煤和秸秆的混烧，在技术和经济层面上 更加可行，特别适合于原有锅炉的技术改造。(3)新建 秸秆电厂 多应用国外水冷振动炉排技术，这种 技术燃料适应性差，除秸秆外不能烧其它燃料。如何应对秸 秆缺乏或者高成本，是电厂必须面对的问题。已有实例表明，维普资讯 http:/ 第 2期 赵希强等：生物质秸杆 预处理工艺及经济性分析 3 3 (上接第 2 9页场灰样的含碳量，右边是乙侧电场灰样的含 碳 量，工况 2的 2电场 甲侧试验期间无法取 出灰样，故用“一”表示。从表 5中可以直观地看出工况2和工况3的飞灰可燃 物含量都有 明显下 降(机械未完全 燃烧 损失将相对下 降)，但是工况 2的排烟氧量较 高，其带米排烟损失较大，经济性 有 限：工况 3降低了一次风风 量，而总 的氧量并没有增加，使得炉膛整体温度水平有 2 0 3 0提高，炉膛出 口最高温 度达到 了 9 6 0。考虑 到较 高的温度水平会增加炉内屏式受 热面 的变 形量，并有可 能降低分 离器 内耐火材 料的使用寿 命，因此 建议将 工况 3的流化风量适 当加大作为今 后运行工 况，其具体参数见表 6。由于工况 3采取了较低的一次风率，这将有助于 降低炉膛 内的磨损量，延长锅炉连续运行 时间。表 6 l 4 0 l 5 0 Mw 推荐运行操作参数 5 效率核算 为 了便于运行人 员掌握锅炉设备的运行情况，利用试 验 期间采集 到的运行数据，结合入炉煤 以及灰样和渣样 的化验 数据，专 门进行 了锅炉的效率核算，核算结果如表 7 所 示，表中同时列 出了 B MC R 条件下的效率计算 值。对 比优化运 行前后 的数据可 以发现，试验前锅炉热效率为 9 1 6 2 (修 正前为 9 l 6 5)，通过运 行优化调整，锅炉热效率提 高到 9 2 1 6 (修 正 前为 9 2 2 l )，上 升 了 0 5 4 (修 正前 为 O 5 6)，需要着重指出的是试验期间的入炉煤灰分较低，仅 为 1 5 8 8(设计煤质的灰分为 3 7 8 5)，如果入炉煤接近设 计煤种的话，锅炉热效率可以提 高 l 以上。表 7 锅炉设计效率表 6 结论 通过此次试验和运行优化调整，修正 了锅炉设备的风 量 测量元件，为运行人员提供 了可靠翔实的数据，减少了运行 的盲 目性。试验证明，冷态试验和热态试验对于锅炉的安全经济运 行非常重要，合理 的运行方式可以减轻 锅炉炉 内的磨损。改 造完成后，该锅炉 的连续运行 时问超过 了 1 0 0天，相 比改造 之前的频繁爆 管停 炉，锅炉设备 的安全经济性显著提高。口 参考文献 1 黄中内蒙古华电乌达热电有限公司4 8 0 t h 循环流化床锅炉(1 号 炉)冷态试验、热态试验及运行优化调整研究报告 R 西安热工 研究院有限公司 2 0 0 6，2 P 巴苏，s A 弗雷泽循环流化床锅炉的设计与运行 M科学出 版社 1 9 9 4 3 党黎军循环流化床锅炉的启动调试与安全运行 M中国电力出 版 社 2 0 0 2 4 岑可法，倪明江，骆仲泱 等循环流化床锅炉理论设计与运行 M 中国电力出版社，l 9 9 8 4 9 6 5 柳 目，谭云松 4 8 0 t h C F B 炉的运行调节及常见事故处理 J 1 _ 电 站系统工程，2 0 0 4，2 0(4)6 徐朝刚 2 1 3 5 MW机组循环流化床锅炉整套启动调试方案 J 电 站系统工程，2 0 0 7，2 3(1)，编辑：闻 彰 维普资讯 http:/